新能源发电并网时谐波对配电设备的影响及抑制措施

沈阳工业大学 王 正 党小峰

新能源发电并网时谐波对配电设备的影响及抑制措施

沈阳工业大学 王 正 党小峰

针对新能源并网时谐波对配电设备产生的影响，本文从分析风电和光伏发电系统并网时谐波产生的原因入手，研究了谐波对发电机、变压器、输电线路、断路器以及配电柜等配电设备产生的影响。提出了采用改进的并联混合型有源滤波器对谐波进行滤除，并通过仿真验证，达到了预期效果，此方法能够消弱谐波。可为并网时解决谐波问题提供了一定的理论参考。

新能源并网；谐波；配电设备；并联混合型有源滤波器

1.引言

随着经济的快速发展，加大了人们对电力能源的需求。新能源发电技术的诞生给世界带来了新的发展方向。其中以风力发电、光伏电池和微型燃气轮机等为主的分布式发电（DG）技术引起了人们的关注。谐波电流的出现严重影响了配电设备的正常工作，使配电网的电能质量下降，影响配电网安全稳定运行。因此，研究新能源并网时谐波对配电设备的影响是保证配电网安全运行的关键。

为了研究新能源并网时谐波对配电设备产生的影响，本文从分析风力和光伏发电系统并网时谐波产生的原因出发，研究了谐波对发电机、变压器、输电线路、断路器以及配电柜等配电设备产生的影响。并提出了采用改进的并联混合型有源滤波器对谐波进行滤除，并通过仿真验证此方法的可行性，为新能源并网时解决谐波问题提供了一定的理论参考。

2.风力、光伏发电系统中谐波产生原因

在风力发电中的电能是由于风吹动电机运转而生成，各次谐波旋转磁场会产生于变速恒频风力发电系统，原因是转子电压中各次谐波电流的出现，同时定子侧发生感应出现谐波电流。

而光伏发电系统中容易出现的大量谐波和三相不平衡电流等问题，是系统中控制器、逆变器等电力电子装置产生，例如控制器工作在不理想条件下时，非特征谐波电压会产生在直流侧，而且在被开关函数调制之后，非特征谐波电流会产生在交流侧。因此，光伏并网发电中谐波源主要来自于大量的电力电子装置。

3.谐波对配电设备的影响分析

通过对风力发电和光伏发电系统的分析，可知谐波是影响新能源并网的主要问题之一。随着并网技术的发展，大量的分布式电源被引入。当DG容量增大时，注入的谐波电流幅值也会增大，畸变水平变高；另外，由于新能源并网时发电输出功率具有随机波动性和间歇性，对配电网的正常运行产生不利的影响。因此，分析谐波对配电设备的危害是保证新能源并网时配电网正常运行的关键[7-8]。

3.1 对发电机的影响

谐波使发电机产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强度。同时由于输出的电压波形中产生附加谐波分量，使发电机转子发生扭振，降低其工作寿命。

3.2 对变压器的影响

谐波电流对变压器的主要影响是使其铜耗增加，在△形连接的变压器中，尤其是3的整数倍次谐波会形成环流在其绕组内部，从而引发过热；在Y形连接的变压器中，当绕组中性点接地，高次谐波谐振会产生在电网中分布电容较大或在装有中性点接地的并联电容器时，它使得变压器、电容器及导线等设备发热，增加了设备附加损耗、噪声，减少使用寿命甚至直接使设备损毁。

3.3 对输电线路的影响

由于谐波电流的频率是基波频率的整数倍，导体内部高频电流经过时，由于集肤效应的存在，使导体对谐波电流的有效电阻增加，引起严重发热，所以增加了输电线路的电能损耗，使输电线路减少了正常工作寿命，加速了绝缘材料的老化，这样极易引发线路故障，严重时可能烧毁线路；当电力网络中的谐波频率位于谐振区内时，有可能造成短路，最终使温度升高引起火灾，导致供电系统无法正常的电能输送。

3.4 对断路器的影响

磁吹线圈由于谐波的原因无法正常工作，造成开断能力变差，无法开断波形畸变率超过一定限制的故障电流。对中压断路器开断电流时，可能发生谐波电压和重燃现象，导致触头烧损。

3.5 对配电柜的影响

谐波电流在配电柜绕组中形成环流，使配电绕组发热，降低寿命；高频率上升的谐波次数，和因为电缆导体截面积越大变得明显的集肤效应，最终增加了导体交流电阻，降低了输电效率。

除此之外，谐波的存在还会使开关柜局部过热，绝缘老化，严重时导致绝缘击穿或烧毁；使开关控制器等误动作或拒动，降低了可靠性，最终可能引发系统事故，使配电系统的无法安全运行。

4.抑制谐波的措施

图1 并网时谐波滤除方案图

改进的混合有源滤波器的单相等效电路如图2所示，图2中Us为系统电源，Zs为系统等效阻抗，Z1为直流侧电感，Z2为谐振电路等效阻抗，Zfp为无源滤波器等效阻抗，Zl为谐波负载等效阻抗，Uc有源滤波器APF等效电压源。对每个电压源单独工作时的等效电路分别采用叠加定理进行分析。

图2 单相等效电路图

由叠加定理可知：

5.仿真与结果分析

通过MATLAB软件分别对当加入传统的或改进的混合有源滤波器时的风电和光伏发电系统进行仿真。仿真模型如图3所示。在仿真中，常见的三相晶闸管桥式整流电路的感性负载用来模拟风力发电和光伏发电系统产生的谐波。其中，三相电源采用理想电压源，直流侧电阻为16Ω，L为0.4mH。仿真结果如图4图5所示。

从图4中可知，当风电并网系统或光伏放电系统加入传统的混合有源滤波器后，得到的三相电流波形中有毛刺存在，电流畸变率为7.06%。说明传统的混合有源滤波器在并网时，虽然能将谐波大量滤除，但是还有高次谐波存在，滤波效果不是很理想。从图5中可看到，当并网系统中加入改进的滤波器后，得到的电流波形非常的接近正弦波形，谐波畸变率降到了2.27%，达到了预期效果。说明改进后的滤波器在新能源并网时，滤波效果良好。

图3 仿真模型

图4 传统的滤波仿真图

图5 改进后的滤波仿真图

6.结论

通过对风力发电系统和光伏发电系统的分析得出，并网时谐波主要是由逆变器、控制器等电力电子器件频繁的开断而产生的。由于谐波电流的引入，使变压器等配电设备的损耗增加，加速设备绝缘老化、降低使用寿命，严重影响了配电网的可靠运行。针对并网时谐波产生的原因，提出了在与电网并网的接点处，采用改进的有源滤波器对谐波进行滤除。通过仿真结果的分析与对比，验证了此方法的可行性，可为解决新能源并网时的谐波问题提供一定的理论参考。

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王正（1962－），男，沈阳人，教授，博士，主要从事特种电机及其控制电力电子与电力拖动的研究。